устройство для измерения температуры вращающихся объектов

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры вращающихся объектов, содержащее расположенный на валу вращающегося объекта диэлектрический диск с передающими и приемно-компенсирующими катушками, каждая пара которых последовательно соединена между собой и с соответствующим датчиком температуры, основные синхроотверстия, расположенные между передающими катушками, и синхроотверстия запуска генератора линейно изменяющегося тока, расположенные посредине между приемно-компенсирующими катушками, две последовательно соединенные секции неподвижной приемной катушки, установленные симметрично по обе стороны от плоскости вращения передающих катушек соосно с одной из них секции приемной катушки, подключенные к усилителю, аналого-цифровому преобразователю, цифровой выход которого подключен к блоку обработки данных, две секции компенсационной катушки, установленные неподвижно по обе стороны от плоскости вращения приемно-компенсирующих катушек симметрично относительно этой плоскости, которые электрически соединены между собой и подключены к генератору линейно изменяющегося тока, цифровой вход которого подключен к блоку обработки данных, скорость нарастания тока генератора линейно изменяющегося тока определяется кодом, подаваемым блоком обработки данных на цифровой вход генератора линейно изменяющегося тока, вход запуска генератора линейно изменяющегося тока соединен с выходом первого блока синхронизации, отличающееся тем, что в устройство введен фильтр нижних частот, установленный на выходе усилителя, между выходом фильтра нижних частот и входом аналого-цифрового преобразователя в устройство введен усилитель выборки-запоминания, вход управления которого и вход управления аналого-цифрового преобразователя соединены с выходом второго блока синхронизации, причем для управления аналого-цифровым преобразователем и усилителем выборки-запоминания на диэлектрическом диске введено дополнительное синхроотверстие, смещенное относительно основного синхроотверстия на расстояние, равное диаметру передающей катушки, указанные синхроотверстия взаимодействуют со вторым блоком синхронизации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области цифровой измерительной техники.

Известны устройства для передачи сигналов датчиков температуры (термопар) с вращающегося объекта (ротора) на неподвижный (статор), содержащие размещенные на вращающемся объекте (роторе) датчики малых постоянных напряжений, подключенные к передающим вращающимся катушкам индуктивности по числу датчиков, неподвижно установленную приемную катушку индуктивности, которая образует с вращающимися передающими катушками бесконтактный индукционный токосъемник и индикаторный прибор. Электронный сигнал датчика возбуждает в передающей катушке магнитное поле, которое при вращении ротора индуцирует в неподвижной катушке импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна измеряемому сигналу датчика (авт. свид. № 180833, кл. G 01 К 13/08, БИ № 8, 1966; авт. свид. № 728003, кл. G 021 К 13/08, БИ № 14, 1980; авт. свид. № 830154, G 01 К 13/08, БИ № 18, 1981; авт. свид. № 901850, кл. G 01 К 13/08, БИ № 4, 1982).

Недостатком устройств является низкая точность, обусловленная воздействием высокочастотных и низкочастотных помех, зависимостью амплитуды импульса от скорости вращения и сопротивления измерительной цепи, образованной термопарой и вращающейся передающей катушкой.

Известно также устройство для передачи сигналов датчиков температуры (термопар) с вращающегося ротора на неподвижный статор, содержащее расположенный на валу диэлектрический диск с передающими и приемно-компенсирующими катушками, каждая пара которых последовательно соединена между собой и соответствующим тремоэлектрическим датчиком температуры, две последовательно соединенные секции неподвижной приемной катушки, выполненные на магнитопроводе и установленные симметрично по обе стороны от плоскости вращения передающих катушек соосно с одной из них и подключенные к индикаторному прибору, две секции компенсационной катушки, установленные неподвижно по обе стороны от плоскости вращения приемно-компенсирующих катушек симметрично относительно этой плоскости, блок синхронизации, выход которого соединен с управляющим входом генератора линейно изменяющегося тока (патент №1619070, кл. G 01 К 13/08, БИ №1, 1991). Приемная катушка разнесена с компенсационной катушкой в пространстве так, что одна из передающих вращающихся катушек расположена между двумя секциями приемной катушки и соосно с ними, а соответствующая приемно-компенсирующая катушка расположена между двумя секциями компенсационной катушки на оси их симметрии. Поле компенсационной катушки индуцирует в приемно-компенсирующей вращающейся катушке постоянную ЭДС, которая вычитается из ЭДС термоэлектрического датчика температуры. О величине сигнал датчика и, следовательно, об измеряемой температуре судят по скорости нарастания тока генератора линейно изменяющегося тока, при которой выходной сигнал приемной катушки равен нулю, т.е. при которой происходит компенсация ЭДС датчика и ЭДС, индуцируемой в приемно-компенсирующей катушке.

Недостатком данного устройства является невысокая точность из-за воздействия как высокочастотных, так и низкочастотных помех промышленной частоты и помех от намагниченных частей ротора и статора. Под воздействием помех смещается нулевой уровень сигнала в приемной катушке, что приводит к большим погрешностям измерения, особенно при малом уровне сигнала, т.е. в момент компенсации, когда и происходит измерение. Для борьбы с высокочастотными помехами используется интегрирование сигнала и помех. Однако при интегрировании влияние низкочастотных помех не устраняется, а наоборот - подчеркивается.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство передачи сигналов датчиков температуры (термопар) с вращающихся объектов, содержащее расположенный на валу вращающегося объекта диэлектрический диск с передающими и приемно-компенсирующими катушками, каждая пара которых последовательно соединена между собой и с соответствующим датчиком температуры, две последовательно соединенные секции неподвижной приемной катушки, установленные симметрично по обе стороны от плоскости вращения передающих катушек, соосно с одной из них, секции приемной катушки, подключенные к последовательно соединенным усилителю, интегратору и аналого-цифровому преобразователю, цифровой выход которого подключен к блоку обработки данных, две секции компенсационной катушки, установленные неподвижно по обе стороны от плоскости вращения приемно-компенсирующих катушек, симметрично относительно этой плоскости, которые электрически соединены между собой и подключены к генератору линейно изменяющегося тока, цифровой вход которого подключен к блоку обработки данных, скорость нарастания тока генератора линейно измеряющего тока определяется кодом, подаваемым блоком обработки данных на цифровой вход генератора линейно изменяющегося тока, вход запуска генератора линейно изменяющегося тока соединен с выходом основного блока синхронизации, который также подключен к входу сброса интегратора, повторитель временных интервалов, первый вход которого подключен к выходу основного блока синхронизации, а второй - к выходу дополнительного блока синхронизации, причем выход дополнительного блока синхронизации и выход повторителя временных интервалов объединены по схеме ИЛИ и подключены ко входу запуска аналого-цифрового преобразователя (патент №2142121, кл. G 01 К 13/08, БИ №33, 1999).

Недостатком данного устройства является невысокая точность из-за воздействия низкочастотных помех, например, промышленной частоты, при низких скоростях вращения ротора. Прототип обеспечивает высокую точность только при высоких скоростях вращения ротора, когда период интегрирования сигнала и помехи на два порядка меньше периода помехи. Однако при частоте вращения в несколько единиц или десятков Гц (такой скоростью вращения характеризуются, например, буровые установки) время интегрирования сигнала соизмеримо с периодом помехи. При этом интеграл от помехи за период интегрирования не будет линейно изменяющейся функцией (фиг.1). Поэтому напряжение U_пи1 не будет в два раза меньше напряжения U_пи2, как это предусматривалось в прототипе. Поэтому вычитание из результатов первого измерения (U_хи) половины результата второго измерения (U_пи2) приведет к появлению погрешности измерения.

В основу изобретения поставлена задача повышения точности и помехозащищенности устройства.

Данная задача решается тем, что в устройство, содержащее расположенный на валу вращающегося объекта диэлектрический диск с передающими и приемно-компенсирующими катушками, каждая пара которых последовательно соединена между собой и с соответствующим датчиком температуры, основные синхроотверстия, расположенные посредине между передающими катушками, и синхроотверстия запуска генератора линейно изменяющегося тока, расположенные посредине между приемно-компенсирующими катушками, две последовательно соединенные секции неподвижной приемной катушки, установленные симметрично по обе стороны от плоскости вращения передающих катушек, соосно с одной из них, секции приемной катушки, подключенные к усилителю, аналого-цифровому преобразователю, цифровой выход которого подключен к блоку обработки данных, две секции компенсационной катушки, установленные неподвижно по обе стороны от плоскости вращения приемно-компенсирующих катушек, симметрично относительно этой плоскости, которые электрически соединены между собой и подключение к генератору линейно изменяющегося тока, цифровой вход которого подключен к блоку обработки данных, скорость нарастания тока генератора линейно изменяющегося тока определяется кодом, подаваемым блоком обработки данных на цифровой вход генератора линейно изменяющегося тока, вход запуска генератора линейно изменяющегося тока соединен с выходом первого блока синхронизации, вместо интегратора в устройство введен фильтр нижних частот, установленный на выходе усилителя, между фильтром и аналого-цифровым преобразователем в устройство введен усилитель выборки-запоминания, вход управления которого и вход управления аналого-цифрового преобразователя соединены с выходом второго блока синхронизации, причем для управления аналого-цифровым преобразователем и усилителем выборки-запоминания на диэлектрическом диске введены дополнительные синхроотверстия, смещенные относительно основных сихроотверстий на расстояние, равное диаметру передающей катушки, указанные основные и дополнительные синхроотверстия взаимодействуют со вторым блоком синхронизации. Таким образом, формируются два импульса запуска аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и усилителя выборки-запоминания на каждый канал, т.е. производится два измерения в каждом канале. При первом запуске АЦП производится измерение амплитуды первой полуволны сигнала и, например, помехи, просуммированной с сигналом, а при втором запуске - измерение амплитуды второй отрицательной полуволны и помехи. При вычитании результатов двух измерений в блоке обработки данных сигнал помехи компенсируется и получается результат измерения размаха сигнала, который от помехи не зависит.

На фиг.1 приведена временная диаграмма работы прототипа.

На фиг.2 представлена структурная схема устройства.

Фиг.3 - конструкция устройства.

Фиг.4 - временные диаграммы работы устройства.

Устройство (фиг.2, 3) содержит диэлектрический диск 1, который крепится на валу вращающего объекта. На диске равномерно установлены передающие катушки 2.1...2.i,...2n по числу датчиков. Приемно-компенсирующие вращающиеся катушки 3.1,...3i,...3.n расположены на окружности меньшего радиуса посредине между передающими катушками. Каждая пара катушек (например, 2.i и 3.i) соединены между собой последовательно и подключены к соответствующему датчику 4i. На неподвижном основании (статоре) установлена приемная катушка с двумя секциями обмотки 5.1, 5.2, которые электрически соединены между собой согласно и подключены к усилителю 7. На неподвижном статоре соосно с приемно-компенсирующей катушкой 3.i установлена компенсационная катушка, состоящая из двух секций 6.1, 6.2, которые также соединены между собой согласно, расположены симметрично по обе стороны от диэлектрического диска 1 и подключены к выходу генератора линейно изменяющегося тока 8, цифровой вход которого подключен к блоку обработки данных 14. Скорость нарастания тока генератора 8 определяется кодом, подаваемым блоком 14 на цифровой вход генератора 8. Чтобы исключить взаимное влияние катушек 5 и 6, они разнесены в пространстве. Форма витков компенсационной катушки такая же, как и в прототипе. Ее витки расположены вдоль радиуса, образованного центрами вращающихся приемно-компенсирующих катушек 3. Первый блок синхронизации 9 и второй блок синхронизации 10 аналогичны соответствующим блокам синхронизации прототипа. Выход первого блока синхронизации 9 соединен с входом запуска генератора линейно изменяющегося тока 8. Первый блок синхронизации 9 взаимодействует с синхроотверстиями 17i (по числу каналов), расположенными посредине между приемно-компенсирующими катушками 3.i, вдоль радиуса, образованного центрами вращающихся катушек 3i. Выход усилителя 7 подключен к входу фильтра нижних частот 11, а выход фильтра нижних частот соединен с входом усилителя выборки-запоминания 12, выход которого соединен с аналоговым входом АЦП 13. Цифровой выход АЦП подключен к блоку обработки данных 14. Второй блок синхронизации 10 установлен неподвижно и смещен относительно первого 9 по окружности (фиг.3), на угол, равный (или кратный) углу между передающими катушками. Выход второго блока синхронизации 10 подключен к входам управления усилителя выборки-запоминания и АЦП. Для управления аналого-цифровым преобразователем 13 и усилителем выборки-запоминания 12 на диэлектрическом диске введены дополнительные синхроотверстия 16i (по числу каналов), смещенные относительно основных сихроотверстий 15i на расстояние, равное диаметру передающей катушки. Основное и дополнительное синхроотверстия расположены посредине между передающими катушками вдоль радиуса диэлектрического диска, образованного центрами вращающихся передающих катушек. Указанные синхроотверстия 15i, 16i взаимодействуют с вторым блоком синхронизации 10.

Описание работы устройства приведено на примере i-го канала. Постоянный ток цепи последовательно соединенных катушек 2.1, 3.i возбуждает в них магнитное поле. Это поле при прохождении катушки 2.i между обмотками приемной катушки 5.1, 5.2 наводит в ней двуполярные информационные импульсы (фиг.4а). Помеха смещает импульсный сигнал на величину U_п. Двуполярный информационный импульс и помеха усиливаются усилителем 7 и подаются на фильтр нижних частот 11, который подавляет высокочастотные импульсные помехи. Информационный сигнал достигает максимального значения, когда центр катушки 2.i находится над началом приемной катушки 5. С учетом влияния помехи максимальное значение сигнала U_x1 =U_x+U_п (фиг.4) запоминается усилителем выборки-запоминания 12 и преобразуется АЦП 13 в цифровой код N_x1. При соосных катушках 2.i и 5 информационный импульсный сигнал проходит через ноль и затем достигает отрицательного амплитудного значения U_x2=-U_x+U_п. Сигнал U_x2 преобразуется АЦП 13 в цифровой код N_x2 . При вращении диска 1 в момент формирования максимального положительного U_x1 и отрицательного U_х2 значений информационных импульсов синхроотверстия 15.i и 16.i последовательно становятся соосными с вторым блоком синхронизации 10, который вырабатывает пару синхроимпульсов U_c2 на каждый канал (фиг.4в). Синхроимпульсы U_c2 (фиг.4в) запускают усилитель выборки-запоминания 12 и АЦП 13. Цифровые коды N_x1 и N_x2 с выхода АЦП, соответствующие амплитуде U_x1 и U _x2, поступает в блок обработки данных 14, где вычитаются (N_x=N_x1-N_x2), т.е. в результате обработки данных получается цифровой код N_х, соответствующий амплитуде U_x+U_п+U_x-U_п =2U_x. Поскольку диаметр передающей катушки на порядок меньше расстояния между катушками, то за время между измерениями U_x1 и U_x2 помеха практически не изменяется и при вычитании N_x1 и N_x2 влияние помехи компенсируется. Генератор линейно изменяющегося тока 8 вырабатывает ток (фиг.4г). В это время приемно-компенсирующая катушка 3.i находится в зоне действия поля компенсационной катушки 6. При подаче на компенсационную катушку 6 линейно нарастающего тока магнитное поле между секциями 6.1 и 6.2 является линейно нарастающим. При этом наводимая в приемно-компенсирующей катушки 3.i постоянная ЭДС будет определятся скоростью нарастания тока в катушки 6. В приемной катушки 5 будет индуцирован сигнал (фиг.4а), амплитуда которого пропорциональна разности ЭДС термоэлектрического датчика и наведенной в катушке 3.i постоянной ЭДС. При равенстве этих ЭДС достигается их компенсация, амплитуда сигнала в приемной катушке и на входе АЦП при отсутствии помех равна нулю. По скорости нарастания линейно изменяющегося тока при достижении компенсации судят об ЭДС датчика. Скорость нарастания линейно изменяющегося тока определяется кодом, подаваемым блоком обработки данных 14 на цифровой вход генератора линейно изменяющегося тока 8. Таким образом, значение кода, выдаваемого блоком обработки данных, в момент компенсации, т.е. когда N_x=0, будет однозначно определять ЭДС термоэлектрического датчика и по величине кода, выдаваемого блоком обработки данных, судят об измеряемой температуре. Значение кода определяется расчетным путем по результатам ряда измерений для нескольких стандартных значений кода ГЛИТ, также как в устройстве, реализующем прототип. Код ГЛИТ при каждом измерении изменяется от некоторого максимального значения до нуля. Обработка результатов измерений производится по методу наименьших квадратов, что позволяет снизить влияние помех, приводящих к разбросу результатов измерения.

Таким образом, устройство позволяет повысить точность и помехозащищенность за счет того, что вместо интегратора в устройство введен фильтр нижних частот между фильтром и аналого-цифровым преобразователем в устройство введен усилитель выборки-запоминания, вход управления которого и вход управления аналого-цифрового преобразователя соединены с выходом второго блока синхронизации, причем для управления аналого-цифровым преобразователем и усилителем выборки-запоминания на диэлектрическом диске введено дополнительное синхроотверстие, смещенное относительно основного сихроотверстия на расстояние, равное диаметру передающей катушки, указанные синхроотверстия взаимодействуют со вторым блоком синхронизации. Таким образом, формируются два импульса запуска аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и усилителя выборки-запоминания на каждый канал, т.е. производится два измерения в каждом канале. При первом запуске АЦП производится измерение амплитуды первой полуволны сигнала и, например, помехи, просуммированной с сигналом, а при втором запуске - измерение амплитуды второй - отрицательной полуволны и помехи. При вычитании результатов двух измерений в блоке обработки данных сигнал помехи компенсируется и получается результат измерения размаха сигнала, который от помехи не зависит.